光耦的工作原理.pdf

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1、光耦的工作原理(2011-10-1212:46)分類：未分類在一些實驗室或高要求場合，為了實驗人員的安全，一般將實驗的輸入電源采用1：1的工頻變壓器與市電進行隔離，這樣一來，實驗室實驗人員無論碰到線路的哪一根線都不會有觸電的危險，因為隔離電源與大地是沒有連接的。在工業(yè)控制設備中，有時候要求兩個系統(tǒng)之間的電源地線隔離，如隔離地線噪聲、隔離高共模電壓等，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個電源之間隔開，使他們相互獨立。在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡單、低成本的方式。但對于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別，目前尚未見到比較深入

2、的研究。而且在很多場合下，由于對光耦的工作原理理解不夠深入，光耦接法混亂，往往導致電路不能正常工作。本研究將詳細分析光耦工作原理，并針對光耦反饋的幾種典型接法加以對比研究。1常見的幾種連接方式及其工作原理光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強。無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，因而在各種電子設備上得到廣泛的應用。光電耦合器可用于隔離電路、負載接口及各種家用電器等電路中。常用于反饋的光耦型號有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類光耦的特性。TLP521的原邊相當于一個發(fā)光

3、二極管，原邊電流If越大，光強越強，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。通常選擇TL431結(jié)合TLP521進行反饋。這時，TL431的工作原理相當于一個內(nèi)部基準為2.5V的電壓誤差放大器，所以在其1腳與3腳之間，要接補償網(wǎng)絡。常見的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。圖1所示接法的工作原理如下：當輸出電壓升高時，TL431的1腳（相當于電壓誤差放大器的反向輸入

4、端）電壓上升，3腳電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減?。环粗?，當輸出電壓降低時，調(diào)節(jié)過程類似。常見的第2種接法，如圖2所示。與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運放的一種特性——當運放輸出電流過大（超過運放電流輸出能力）時，運放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。圖2所示接法的工作原理是：當輸出電

5、壓升高時，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大，由于Ic已經(jīng)超過了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當輸出電壓下降時，調(diào)節(jié)過程類似。常見的第3種接法，如圖3所示。與圖1基本相似，不同之處在于圖3中多了一個電阻R6，該電阻的作用是對TL431額外注入一個電流，避免TL431因注入電流過小而不能正常工作。常見的第4種接法，如圖4所示。該接法與第2種接法類似，區(qū)別在于com端與光耦第4腳之間多接了一個電阻R4，其作用與第3種接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。2各種接法的比較在比較

6、之前，需要對實際的光耦TLP521的幾個特性曲線作一下分析。首先是Ic-Vce曲線，如圖5，圖6所示。由圖5、圖6可知，當If小于5mA時，If的微小變化都將引起Ic與Vce的劇烈變化，光耦的輸出特性曲線平緩。這時如果將光耦作為電源反饋網(wǎng)絡的一部分，其傳遞函數(shù)增益非常大。此外，還需要分析光耦的Ic-If曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，在電流If小于10mA時，Ic-If基本不變，而在電流If大于10mA之后，光耦開始趨向飽和，Ic-If的值隨著If的增大而減小。對于一個電源系統(tǒng)來說，如果環(huán)路的增益是變化的，則將可能導致不穩(wěn)

7、定，所以將靜態(tài)工作點設置在If過大處（從而輸出特性容易飽和），也是不合理的。由圖8可以看出，在If大于5mA時，Ic-Ta曲線基本上是互相平行的。根據(jù)上述分析，以下針對不同的典型接法，對比其特性以及適用范圍。本研究以實際的隔離半橋輔助電源及反激式電源為例說明。第1種接法中，接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng)電阻R4降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光耦的工作點選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。按照前面的分析，令電流If的靜態(tài)工作點值大約為10mA，對應的光耦工作溫度在0～100℃變化，值在20～15mA

8、之間。電阻R1與R2的值容易選取，這里取為27k與4.7k。實驗中，半橋輔助電源輸出負載為控制板上的各類控制芯片，加上多路輸出中各路的死負載，最后的實際功率大約為30w。實際測得的光耦4腳電壓（此電壓與芯片三角波相比較，從而決定驅(qū)動占空比）波形，如圖9所示。對應的驅(qū)動信號波形，如圖10所示